毕业设计（论文）-某型重型数控机床主轴箱设计及滑枕液压系统仿真分析.doc

北京信息科技大学 毕业设计（论文）题 目：某型重型数控机床主轴箱设计及滑枕液压系统仿真分析学 院： 机 电 工 程 学 院 专 业： 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 学生姓名： 班级/学号机 械1006 /2010010155 指导老师/督导老师： 起止时间： 2014 年 2月 24日 至 2014 年 6 月 8 日 摘要摘 要重型数控落地镗铣机床的研究分析起源于上世纪50年代起，当今世界上，国外，特别是德、美、日三个国家在数控重型机床科研、设计、制作和应用上，技巧最先进、经验最多的国家。随着现代工业的发展以及需求量的增多，对重型数控镗铣床的性能要求也越来越高。主轴箱是重型数控落地镗铣床的重要部件之一，它结构、性能的优良直接影响着整个机床的性能。本文以TK6920大型数控镗铣床为研究对象对其主轴箱进行设计。液压系统同样是重型数控镗铣床的主要部分，目前，国内的设计主要依据经验设计和类比设计，再通过样机仿真发现问题，解决问题。这样既浪费时间精力又浪费资源，通过液压系统的设计和分析能在设计初期发现问题，解决问题。本文以国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项重型数控机床关键共性技术创新能力平台课题的子项目以齐齐哈尔第二机床厂生产的TK6920重型数控镗铣床为研究对象，对主轴箱进行结构设计，对整体的液压系统进行设计与仿真分析。（1） 根据设计要求对主轴箱的传动系统进行设计，依据计算结果利用Creo2.0建立主轴箱的三维结构模型。（2） 研究重型机床的各个部分的液压系统并对TK6920机床的液压系统进行设计选型。（3） 完成了基于AMEsim软件的TK6920机床液压系统的建模仿真。（4） 仿真分析液压系统的问题以及改进建议。关键词：重型数控镗铣床；TK6920；主轴箱；液压系统；creo2.0；AMEsimIVAbstractAbstractHeavy CNC floor type boring and milling machine analysis originated from the 1950s.Abroad,especially the United States, Germany and Japan on the CNC heavy machine research, design, production and application of the most advanced techniques, up to the experience of countries in the world today.With the development of modern industry and the increased demand for heavy-duty CNC milling machine performance requirements are also increasing.Headstock is one of the important parts of heavy-duty CNC floor type boring and milling machine, which is affecting the entire structural design of the machine performance.In this paper, TK6920 large CNC boring and milling machine is designed for the study of their headstock.Hydraulic system is also a major part of the heavy-duty CNC milling machine, at present, the main basis for the design of domestic design and analog design experience, and through prototype simulation discover and solve problems.Such a waste of time and effort and a waste of resources, can find problems early in the design through the design and analysis of the hydraulic system, to solve the problem.In this paper, the national high-end CNC machine tools and basic manufacturing equipment major science and technology Heavy CNC machine key common technology platform innovation capability, the subject of the second sub-machine plant in Qiqihar Heavy CNC boring and milling the TK6920 for the study of the headstock structural design, the overall hydraulic system design and simulation analysis.(1) .Three-dimensional structural model of the transmission system in accordance with the design requirements of the headstock design, based on the results of the use of Creo2.0 establish headstock(2) .Various parts of the hydraulic system of research and TK6920 heavy machine tool hydraulic system design and selection.(3) .AMEsim complete modeling and simulation software TK6920 hydraulic system based on.(4) .Simulation analysis of hydraulic system problems and suggestions for improvement.Keywords: Heavy CNC boring and milling machine; TK6920; headstock; hydraulic system; creo2.0; AMEsim目录目录摘 要I第一章 概述11.1引言11.1.1课题来源11.1.2课题背景11.1.3研究意义11.2研究现状21.2.1国内外研究现状分析和成果21.2.2主轴箱的设计研究成果31.2.3液压系统设计的研究成果51.2.4液压系统仿真的研究成果71.4主要工作101.5设计方案101.5.1主轴箱的结构设计101.5.2液压系统的设计与仿真分析10第二章 主轴箱的结构设计112.1总体结构分析112.2滑枕的相关设计122.3主轴箱的轮廓设计122.4传动系统设计132.4.1主传动系的设计132.4.2计算各轴的转速132.4.3计算各轴的传动效率132.4.4计算各轴的功率：142.4.5计算各齿轮的参数：142.4.6初选轴径：162.4.7轴的设计与校核：172.5主轴箱的结构设计24第三章 液压系统的设计与仿真分析273.1机床液压系统介绍273.2主轴箱平衡液压系统273.3刀具夹紧液压系统283.4主轴箱以及滑枕夹紧液压系统293.5滑枕补偿液压系统303.6液压系统的受力分析313.7液压系统计算以及选型333.7.1液压缸的计算：333.7.2管道尺寸的确定：383.7.3利用AMEsim进行仿真的步骤393.7.4利用AMEsim进行仿真分析393.7结论45第四章 结论46参考文献47致谢49某型重型数控机床主轴箱设计及滑枕液压系统仿真分析某型重型数控机床主轴箱设计及滑枕液压系统仿真分析第一章 概述1.1引言1.1.1课题来源“重型数控机床主轴箱设计及滑枕液压系统仿真分析”课题是国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项重型数控机床关键共性技术创新能力平台课题的子项目。以齐齐哈尔第二机床厂生产的TK6920重型数控镗铣床为研究对象，运用有限元思想，借助一系列的软件对机床的主轴箱以及液压系统分析仿真从而达到提高机床加工精度的目的。1.1.2课题背景重型数控落地镗铣机床的研究分析起源于上世纪50年代起，当今世界上，国外，特别是德、美、日三个国家在数控重型机床科研、设计、制作和应用上，技巧最先进、经验最多的国家。美国在重型数控机床的主机设计、制作及数控系统方面的研究基础扎实,并且秉承着科研和创新，故其高性能的重型数控机床在世界也一直处于领先地位。德国的数控机床质量及性能良好、先进、实用、货真价实、出口遍及世界。尤其是在大型、重型、精密数控机床方面的机床炙手可热。德国特别一贯重视数控机床主机及配套件的先进性和实用性能，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统以及各种功效部件在质量、性能上居世界高端水平。日本充分发展大批生产自动化,继而全力发展中小批柔性生产主动化的数控机床。在1958年国内研制出第一台数控机床，经过无数国人的不懈努力，在50余年间数控机床的设计和制作技巧飞跃式前进和进步，但是中国的机床结构的设计多半仍然处于经验设计，设计计算时使用一般的结构计算方法，虽然这些计算具有可靠性、科学性，但是对于复杂的机床结构仅有计算和试验是不够的。这导致国内重型数控落地镗铣机床产品和国外产品还存在着很大的差距。1.1.3研究意义我国是制造大国，工业制造是国家的经济命脉。随着现代工业的高速发展发展以及工艺水平的跳跃式提高，高效率、高精度、低成本加工性能机床的需求量逐年增多，而且随着加工产品的大型化、自动化、吨位化的趋势，重型数控落地镗铣机床的需求量越来越高。重型数控落地式镗铣床早已列为振兴国家装备制造业“数控机床发展专项规划”，是我国重点扶持的行业，但由于重型数控落地镗铣机床的体积大，吨位重，生产制造成本高，这有必要在设计时进行多方面的分析，降低机械振动，减少部件的弯曲变形从而提高加工工件的生产质量。本课题重点研究重型数控落地镗铣机床的关键部件的静动特性，以及整机的液压系统。课题的结果对提高机床整机的性能以及加工精度具有重大的借鉴意义。对于大型落地式镗铣床液压系统的设计具有推动作用。1.2研究现状1.2.1国内外研究现状分析和成果本次课题研究共查阅相关文献共50篇，年份分布图1所示图1年份分布图从图中看出文献主要集中在2011-1013年，这说明文献的实时性较强，对本论文研究具有重大的借鉴意义。文献内容主要包括机床主轴箱、滑枕、液压系统等几方面的介绍和分析具体情况如图1所示：图1文献内容分类数量统计从图中看出文献总体分为六大类别，分别是对机床整体、主轴箱、滑枕、液压系统、其他部件分析以及机床介绍。整体方面，文献主要是从机床的机构设计分析、动态分析和热特性三个方面进行研究的。主要采用ANSYS 有限元软件对机床的结构建模12，分析机床的结构找到刚度的薄弱环节进行优化，对机床进行热特性分析为整机的冷却系统提供理论3，同时改进装置提高加工精度。对于机床的动力分析时采用有限元及结构优化（CAE）技术相结合的手段4，提高机床性能。机床滑枕分析主要分为滑枕的结构设计、动特性分析、热特性分析以及滑枕的变性补偿四个方面。（1）结构设计时主要运用有限元分析的方法对滑枕的内部结构的静、动特性进行分析，提高滑枕的灵敏度56。（2）动态分析时首先借助相关软件进行三维建模，进而采用ANSYS对滑枕进行动特性、热特性、噪声场的分析。分析时，采用Block Lanczos 法求解，得出通过增加加强筋、固定螺栓的预紧力、改变约束位置等来调整方滑枕的刚度，起到提高固有频率的目的6。（3）热特性分析时主要运用有限元软件仿真计算滑枕系统的稳态温度场分布以及热平衡时间，得出且温度分布均匀程度是影响热变形的关键因素7-8。（4）滑枕的变形补偿分析时首先采用PRO/E建模，之后用有限元分析方法对滑枕进行静态分析9-12，从而建立一系列的平衡方程,找出滑枕的补偿方法。机床主轴箱分析主要分为主轴箱的结构设计与优化、模态分析、热特性分析和主轴箱的补偿四个方面。主要运用PRO/E13，CAD、matlab14以及Solid Works15 三种软件对机床主轴建模，结构分析和优化设计时主要采用matlab软件，模态分析和热特性分析时主要运用ANSYS进分析1617，主轴箱的补偿分析时主要运用CAE18。在优化时普遍采用ANSYS论证。机床液压系统分析主要分为液压系统的设计和优化、液压系统的平衡两个方面。液压系统设计时运用理论知识设计液压系统，通过Hop san、ADAMS/Hydraulics、Matlab /Simulink、AMESim19以及EASY5等仿真软件对液压系统进行仿真20，找出系统中的问题环节，改进系统。液压系统主要以配重锤平衡、蓄能器平衡、压力控制阀平衡和PID补偿四种方法21为主，运用上述的液压系统软件对平衡后的系统仿真，得到最优的平衡措施。机床的其他部件的分析主要是机床的镗轴的刚度分析22，立柱的静态和模态分析23以及机床双驱机构24的的改进。通过PRO/E对这些零件建模，运用有限元分析软件对三个部件的动特性以及静特性分析，总结出改进方法。纵观文献内容发现目前重型数控落地镗铣机床的发展方向是高速铣削，其功能通过滑枕组件来完成。在理论论证时需要对主轴箱、滑枕、立柱等部件进行强度、刚度分析，以保证镗铣床的加工精度以及可靠性。现在国内外对机床进行静态、模态分析多采用计算机辅助工程( CAE ) 技术，通过PRO/E，CAD、matlab以及Solid Works对机床部件建模，运用ANSYS、matlab以及CAE软件，根据实际工作情况，将实际中的经验数据加载到模型中，进一步分析,这样可以找到机床的薄弱点，并且对问题点进行修改和优化。在机床液压系统理论分析时主要运用Hop san、ADAMS/Hydraulics、Matlab /Simulink、AMESim以及EASY5等仿真软件对液压系统进行仿真，发现液压系统的问题，进行改进。1.2.2主轴箱的设计研究成果 主轴箱的结构有如下几种：方案一：TK69系列镗铣床不开口主轴箱结构，如图1.2.2.1所示：图1.2.2.1 TK69系列不开口主轴箱模型方案二：TK69系列镗铣床开口主轴箱结构，如图1.2.2.2所示：图1.2.2.2 TK69系列开口主轴箱模型方案三:数控车床主轴箱结构,图1.2.2.3所示。图1.2.2.3CK61系列数控车床主轴箱实体图方案四：数控铣床主轴箱机构，如图1.2.2.4所示。图1.2.2.4 XK系列数控铣床主轴箱结构1.2.3液压系统设计的研究成果依据本课题，TK6920重型数控镗铣床液压系统共包含四个主要的部分：（1） 主轴箱的平衡液压系统，如图1.2.3.1所示。 图1.2.3.1主轴箱平衡系统原理图 主轴箱平衡系统主要液压元件型号（2）刀具夹紧液压系统，如图1.2.3.2所示。图1.2.3.2刀具夹紧液压系统原理图（3）主轴箱以及滑枕夹紧液压系统，如图1.2.3.3所示。图1.2.3.3主轴箱以及滑枕夹紧液压系统原理图（4）滑枕的挠度补偿液压系统，如图1.2.3.4所示。图1.2.3.4滑枕挠度补偿液压系统原理图1.2.4液压系统仿真的研究成果方案一：首先依据课题要求设计液压系统，通过计算机辅助软件AMESim对液压系统进行建模，主要包括：模型的创建、模型的类型、模型的参数的设置等三方面。通过软件仿真得到结果如图1.2.4.1所示，对仿真结果进行研究改进原有的液压系统如图1.2.4.2所示。图1.2.4.1液压系统的仿真结果图1.2.4.2液压系统改进方案二：首先需要对原有液压系统进行设计，其次利用EASY5液压系统仿真软件建立液压系统模型如图1.2.4.3所示。图1.2.4.3基于EASY5的液压系统建模通过实验以及液压系统的仿真结果对比如图1.2.4.4所示，分析液压系统特性，得出分析结果。图1.2.4.4仿真结果和实验结果对比方案三：初步设计液压系统，运用Matlab /Simulink仿真模块，对液压系统仿真和分析，如图1.2.4.5以及图1.2.4.6。图1.2.4.5三通减压阀仿真模块图图1.2.4.6三通减压阀输出压力仿真曲线1.3发展趋势 我国是个工业大国，随着科技的进步、生产的提高，机床的使用性能要求也逐步提高，主轴箱的设计时重型数控机床的中重之中，其研究领域正在向高精度、高稳定性和可靠性迈进。在液压方面，液压系统支撑起机床整体的运动也是重型数控机床的重研究领域之一，随着计算机仿真技术的日益发展，利用计算机解决实际系统的问题已经成为可能，根据实际的数值对液压系统的仿真赋予特征参数，模拟出实际中的液压系统个个部分的数值，为液压系统的改进提供强有力的证据。液压系统的仿真在对液压系统设计时的作用越来越大正在逐步变打。 1.4主要工作通过查阅现有文献资料，进行调研，以K6920重型数控落地式镗铣床作为研究对象设计主轴箱的箱体以及其传动系统，并建立三维模型。在液压方面，借鉴国内外液压系统的设计经验，根据本机床的设计要求设计出液压系统，并根据液压系统的参数建立液压系统模型，通过仿真验证液压系统的可行性，进一步分析仿真结果得出本液压系统的缺陷并给出相关建议。1.5设计方案1.5.1主轴箱的结构设计在主轴箱结构设计阶段共有四个典型的主轴箱模型可以给本课题作为借鉴，考虑到本课题研究的是齐齐哈尔第二机厂的TK692O型号重型数控镗铣床所以在方案一二中选择一个主轴箱的结构作为本课题主轴箱结构设计时的参考。由于方案一属于传统的主轴箱设计，箱体的强度、刚度都比较好，适合重型数控镗铣床的主轴箱结构案故选择TK69系列前端不开口的主轴主轴箱结构。1.5.2液压系统的设计与仿真分析在液压系统设计时以TK6920 的设计参数为根据参照各个部分的液压系统模型进行设计。在液压系统分析方面都是运用仿真分析软件对液压系统的性能做出分析，具有相似原理。不同的是仿真软件各异。AMESim软件最早由法国IMAGINE公司在1995年推出的基于键合图的液压系统建模仿真和各种参数分析软件。它含有一系列的液压模型库，其中也包含着复杂程度不同的各种模型应用于多种多样的液压系统设计并且可以通过一些简单的模型建立这个软件中不存在的液压元件模型来满足客户的各种要求。它与其他液压仿真软件相比较，可以通过一个接口传递多个变量，简化了模型的规模，使得不同领域模块之间的物理连接成为可能。而且具有稳态仿真、动态仿真、批处理仿真、间断连续仿真等多种仿真运行方式，可以得到精度和稳定性很高的仿真结果。EASYS5是当今世界上主流的液压仿真软件，功能强大，包含了70多种主要的液压原部件, 涵盖了液压系统仿真的主要方面，具有一些对应真实物理部件的仿真模型, 如: 马达、泵、阀液压油等等, 用户只要如同组装真实的液压系统一样, 把相应的零件图标从库里取出, 设定参数，连接各个部件, 就可以构造用户的液压系统, 而不必关心具体部件背后复杂的数学模型, 因此EASYS的液压系统仿真软件非常适合工程人员使用。MATLAB是由美国Mathworks公司在1984年正式推出的科学计算与仿真软件，它是一个高度集成的软件系统，它集科学与工程计算、图形可视化、图形处理、多媒体处理于一身，并提供了实用的Windows图形界面设计方法，使用户设计出友好的图形界面，具有超强的数值运算功能、强大的数据可视化功能、开放的架构和可延拓的特性以及丰富的工具箱。三款液压系统的仿真软件功能都十分强大，但AMESim系统仿真软件易学易懂、方便快捷、可以在较短的时间内、完成较多的实验内容。所以在液压系统分析时主要采用AMESim软件进行仿真分析。 第二章 主轴箱的结构设计2.1总体结构分析本文所论述的主轴箱的结构设计如下图2.1.1所示图2.1.1 主轴箱的结构在这个重型数控机床的主轴箱中包含了主轴箱的重力补偿部件1，活塞、油缸和一根钢丝绳连接通过液压油缸动态的拉紧与松开形成与重心相反方向的力来保证主轴箱不断的处于平衡状态中。主轴箱的后部2是主轴箱的传动系统，主传动系统由一71千瓦交流主电机驱动，经机械电气调整后，使主轴获得3.15800r/min范围内无级调整的转速。主轴回转运动通过齿轮传动实现，在铣轴内的镗轴沿两个固定在铣轴上的专用成形键做无间隙滑动，并通过此成形键传递铣轴回转动力。主轴箱的中部是滑枕部件，材料是一种优质精密铸铁件，长方形截面（480520mm），滑枕在主轴箱内沿W轴水平移动，它支承主轴，并承担将主运动传至主轴。在滑枕前端面可以安装附件（如垂直铣头，平旋盘等），并且在滑枕前端盖上安装有附件识别开关。在滑枕的下部是支撑滑枕伸出的滚珠丝杠，通过经高精度齿轮降速后，驱动滚珠丝杠副。丝杠在固定于方滑枕上的支架中的滚珠丝母内回转，传动件为回转丝杠、丝母为预压式双螺母结构，以便于消除间隙。2.2滑枕的相关设计根据滑枕的行程：，滑枕尺寸：,所以滑枕与箱体的结合面尺寸为：。因为滑枕自身较重，所以在箱体内部直线运动，采用静压导轨。初步得出丝杠直径为，丝杠总长为。2.3主轴箱的轮廓设计查阅相关资料，借鉴相关书籍和老师进行沟通得到主轴箱二维轮廓图如下图2.1.2所示：图2.1.2 主轴箱二维轮廓图2.4传动系统设计2.4.1主传动系的设计 根据TK6920机床的设计要求和数据得到如下图2.1.3传动系统：图2.1.3 传动系统2.4.2计算各轴的转速轴转速：轴转速：轴转速：轴转速：轴转速：2.4.3计算各轴的传动效率联轴器的传动效率：、齿轮啮合效率：、滚动轴承效率：、 v带传动的效率：轴传动效率：轴传动效率：轴传动效率：轴传动效率：轴传动效率：2.4.4计算各轴的功率：轴功率：轴功率：轴功率：轴功率： 轴功率：2.4.5计算各齿轮的参数：齿轮01：、分度圆直径：齿顶圆直径：齿根圆直径：齿宽：齿轮02：、分度圆直径：齿顶圆直径：齿根圆直径：齿宽：齿轮03：、分度圆直径：齿顶圆直径：齿根圆直径：齿宽：齿轮04：、分度圆直径：齿顶圆直径：齿根圆直径：齿宽：齿轮05：、分度圆直径：齿顶圆直径：齿根圆直径：齿宽：齿轮06：、分度圆直径：齿顶圆直径：齿根圆直径：齿宽：齿轮07：、分度圆直径：齿顶圆直径：齿根圆直径：齿宽：齿轮08：、分度圆直径：齿顶圆直径：齿根圆直径：齿宽：齿轮09：、分度圆直径：齿顶圆直径：齿根圆直径：齿宽：2.4.6初选轴径：2.4.7轴的设计与校核：I轴的设计和校核：（1） 、初选轴的直径为，考虑到轴上有一个键槽，故直径增加4%-5%，所以最小直径为。（2） 、初选深沟球轴承6221型号：（3） 轴承端盖的设计：轴承端盖如图2.4.4.1所示：图2.4.4.1 轴承端盖取螺栓直径=10，数目为4取（4） 、轴的示意图： （5）、校核强度： 转矩：圆周力：径向力：注：轴向力：受力图：水平面：（注：FQ=10050N） 垂直面：画出水平面弯矩图以及垂直面弯矩图：在右轴颈中间断面处的垂直处水平弯矩为：弯曲图如下：齿轮中间处的垂直弯矩：弯矩图如下：合成弯曲：所以：轴的材料为45刚，经过调制处理，硬度为217-225HBW，许用应力为：。校核强度：B截面处的强度：所以C截面处的强度：所以综上所诉：本轴的强度满足设计使用要求。II轴的设计：（1） 、初选轴的直径为，考虑到轴上有三个键槽，故直径增加12%，所以最小直径为，圆整为（2） 、初选深沟球轴承6020型号：（3） 轴承端盖的设计：轴承端盖如图所示：取螺栓直径=10，数目为4取（4）、轴的示意图：III轴的设计：（1） 、初选轴的直径为，考虑到轴上有三个键槽，故直径增加12%，所以最小直径为。（2） 、初选深沟球轴承6024型号：（3） 、轴承端盖的设计：轴承端盖如图所示：取螺栓直径=10，数目为4取（4）、轴的示意图：IV轴的设计：（1） 、初选轴的直径为，考虑到轴上有一个键槽，故直径增加3%，所以最小直径为。（2） 、初选深沟球轴承6021型号：（3） 、轴承端盖的设计：轴承端盖如图所示：取螺栓直径=10，数目为4取（4）、轴的示意图：V轴的设计：（1） 、初选轴的直径为，考虑到轴上有一个键槽，故直径增加5%，所以最小直径为。（2） 、初选深沟球轴承6021型号：（3） 、轴承端盖的设计：轴承端盖如图所示：取螺栓直径=10，数目为4取（4）、轴的示意图：2.5主轴箱的结构设计根据主传动系统初步的到传动系统的空间位置草图，如图2.5.1所示：图2.5.1 传动系统的空间位置依据设计得到的轴箱的外形轮廓、滑枕部件、导轨部件以及齿轮和轴系数据最终建立主轴箱体和主轴箱装配的二维图，如图附图2.5.1和2.5.2所示。在图中2.5.1中1是支撑滑枕运动的滚珠丝杠位置，2是支撑主轴箱上下运动的丝杠副，3和10是主轴箱的外壁，4和5是支撑主轴箱的筋板同时可以安装夹紧所需的液压缸，6和7用来支撑轴V和轴IV滚动轴承的基座同时对主轴箱起支撑作用。8是用来支撑轴III滚动轴承的基座同时对主轴箱起支撑作用。9是用来支撑轴II滚动轴承的基座同时对主轴箱起支撑作用。10是用来支撑轴I、轴II和轴III滚动轴承的基座同时对主轴箱起支撑作用。11是主轴箱在立柱上上下移动的导轨。12是为减少主轴箱重量加强主轴箱强度的筋板。在图2.5.2中1和3是滑枕对称的前后两个端面，2是滑枕相连的两个端面，6是轴I以及齿轮01。7是轴II以及齿轮02、03和04。8是轴III以及齿轮05、06和07。9是轴IV以及齿轮08。10是轴V以及齿轮09。图2.5.1 主轴箱附图：图2.5.2 主轴箱装配图第3章 液压系统的设计与仿真分析3.1机床液压系统介绍 TK6920重型数控落镗铣床的液压系统由四个独立的部分组成：第一部分提供机床精度补偿，其中包括：主轴箱重心平衡补偿、滑枕变形补偿、附件重量补偿。第二部分提供机床夹紧润滑，其中包括：滑座夹紧、主轴箱夹紧、滑枕夹紧、刀具松开、主传动换档、滑座进给箱润滑、主传动润滑、滑枕进给润滑、主轴箱进给润滑。第三部分提供机床静压，其中包括：滑座静压、主轴箱静压、滑枕静压第四部分提供机床滑枕部件润滑，其中包括：滑枕润滑、镗轴拖架润滑。在本论文中，重点对主轴箱重心平衡补偿、滑枕变形补偿、主轴箱夹紧、滑枕夹紧以及刀具松开五部分液压系统的设计和仿真分析。3.2主轴箱平衡液压系统TK6920重型数控落地铣镗床主轴箱的工作原理是：主轴箱通过丝杠传动，沿着立柱静压导轨(Y轴)上下运动。滚珠丝杠带动滑枕，在箱体内沿静压导轨(Z轴)做水平运动，镗轴在铣轴内(W轴)做水平运动。由于本机床是重型数控机床，主轴箱、滑枕、镗轴以及铣轴的重量较大，当滑枕伸出时，受重力影响，使主轴箱前端向下倾斜，并且对立柱施加了一个逆时针的力矩，这降低了铣轴、镗轴、立柱的刚度，从而降低了机床的加工精度，使刀具磨损严重。这就需要设计一个液压系统在滑枕伸出是补偿主轴箱前端的倾斜，在滑枕缩回时补偿主轴箱后端的倾斜。液压系统图如3.1.1所示：图3.1.11、主轴箱 2、定滑轮 3、钢丝绳 4、液压缸 5、6、动滑轮组 7、镗杆 8、支架（连接滑轮）9、行程油缸 10、液控单向阀 11、电磁换向阀 12、伺服阀 13、单向阀 14、液压泵15、 过滤器 16、溢流阀注：液压缸4、9固定在立柱上，钢丝绳两端分别连接主轴箱前后两端。平衡系统原理：当滑枕伸出主轴箱时，YB1、YB3接通，从液压泵打出的液压油经过伺服阀12的左腔，液控单向阀10进入到液压缸4和9中提升因为重力影响而倾斜的主轴箱前端，补偿误差。当滑枕缩回时，YB5接通，打开液控单向阀，同时YB2、YB4接通，液压缸4中的液压油经过液控单向阀10、12的右腔流回油箱，降低主轴箱的前端补偿主轴箱在伸出时前端钢丝绳的拉力大于后端钢丝绳的拉力产生的翘起误差。3.3刀具夹紧液压系统 TK6920机床刀具的夹紧是通过液压缸推动滑枕内部的拉杆如图3.3.1所示从而拉钉的夹紧和松开，实现刀具的夹紧。液压原理图如3.3.2所示：图3.3.1 刀具夹紧原理图图3.3.21、单向阀 2、溢流阀 3、减压阀 4、三位四通阀 5、双向节流阀 6、液压缸7、液压泵 8、过滤器 刀具夹紧原理：当YB2接通时液压油经过减压阀3，三位四通阀右腔进入液压缸左端使液压杆缩回，拉钉拉紧从而使刀具夹紧。当YB1接通是液压油进过三位四通阀的左端回到液压箱使液压杆伸出，拉钉松开从而使刀具松开。3.4主轴箱以及滑枕夹紧液压系统 TK6920机床的主轴箱沿Y轴上下运动，滑枕沿Z轴水平运动，自由度为1，当进行切削工作时只需限制这一个自由度就可实现夹紧。液压原理图如3.3.1所示:图3.3.11、 过滤器 2、液压泵 3、单向阀 4、溢流阀 5、减压阀 6、三位四通阀 7、双向节流阀 8、液压缸 9、主轴箱、滑枕 主轴箱以及滑枕夹紧原理：当YB5接通时液压油经过减压阀3，三位四通阀右腔进入液压缸右端使液压杆伸出，四根液压杆限制住这一个自由度双向节流阀保压从而夹紧主轴箱或者滑枕。当YB6接通时液压油进过三位四通阀的右端回到液压箱使液压杆缩回，液压杆松开从而使主轴箱或滑枕有一个自由度可以向相关方向移动。3.5滑枕补偿液压系统 由于TK6920数控铣镗床是重型数控机床，滑枕、镗轴以及铣轴的重量较大，当滑枕伸出时，受重力影响，使滑枕产生挠曲变形，从而使滑枕的理论与实际定位值产生偏差这严重影响了数控铣镗床的加工精度，这就需要设计一个液压系统在滑枕伸出时补偿滑枕的挠曲变形。液压原理图如3.4.1所示：图3.4.1 1、拉杆 2、液压缸 3、滑枕 4、溢流阀 5、单向阀 6、液压泵 7、过滤器 8、主轴箱 9、比例减压阀 10、减压阀 滑枕补偿原理：在滑枕的上端对称安装两个拉杆，拉杆前端连接拉套，拉杆后端通过锁紧螺母连接液压油缸和拉杆，通过比例减压阀9控制液压缸的压力大小从而改变拉杆的拉力的大小，进而补偿因为重力导致的滑枕的挠曲变形。3.6液压系统的受力分析 主轴箱的受力图如下所示： 根据TK6920的设计要求，经过和来世的讨论首先确定主轴箱的受力分析情况，此次主轴箱共受到五个力的作用，分别是：主轴箱本身的重力、液压装置对主轴箱的拉力、楔铁上静油压对主轴箱的作用力、铣削时对主轴箱体的作用力、滑枕对主轴箱的作用力。（1） 、主轴箱的自身重力TK6920重型数控镗铣床主轴箱的箱体材料为HT200，密度为，尺寸为，根据第二章主轴箱的三维建模，运用Creo进行重力分析，得出自身重力为4980N。（2） 、液压装置对主轴箱的拉力根据TK6920机床的型号，以及查阅相关资料，最终确定主轴箱的两个拉力的大小分别为：（方向向上）、（方向向上）。（3） 、楔铁上静油压对主轴箱的作用力滑枕与主轴箱之间的运动通过静压导轨实现，方向为水平运动。由于滑枕的重力影响，导轨受到滑枕的压力，所以静压导轨的静油压力为正值。根据经验以及查阅相关资料，靠近铣轴方向承受的压力为3000N，后面导轨上承受的压力为每个2000N。（4） 、铣削工作时轴向力对箱体的作用力铣削时受力示意图：铣削时扭矩与轴向力的关系式：所以得到取整为：，同时可得到径向力（5） 、滑枕对主轴箱的作用力a) 查阅相关资料，与老师进行讨论最终确定TK6920滑枕的重力为16000N。b) 滑枕的受力示意图如下所示： 根据上图列出受力方程组：1. 2.联立两个方程求解：、3.7液压系统计算以及选型由于本课题研究是机床整体的液压系统的分析，所以将第三章设计的五部分液压系统设计成一个大的液压系统如图3.6.1所示：图3.6.1 整体液压系统1、2、3、4、5、9、液压缸 6、比例减压阀 7、22、单向阀 8、18、19、20、减压阀10、 三位三通阀 11、液控单向阀 12、二位二通阀、13、15、17、三位四通阀2、14、16双向节流阀 21、溢流阀 23、液压泵 24、过滤器液压系统动作顺序表：3.7.1液压缸的计算：（1） 、主轴箱平衡系统缸4和9的计算a) 缸4的计算根据液压系统设计简明手册表2-1确定液压缸的工作压力为20Mpa、最大负载为F1=40000N、回油背压力为零、。液压缸内径根据液压系统设计简明手册表2-4将液压缸的内径圆整为标准系列，所以。 校核液压缸可靠性：因为且，所以液压缸设计可靠。取则缸体外径为：根据液压系统与维修设计手册157页表选所以液压缸的型号为：计算最大流量：b) 缸9的计算根据液压系统设计简明手册表2-1确定液压缸的工作压力为20Mpa、最大负载为F1=160000N、回油背压力为零、。液压缸内径根据液压系统设计简明手册表2-4将液压缸的内径圆整为标准系列，所以。 校核液压缸可靠性：因为且，所以液压缸设计可靠。取则缸体外径为：根据液压系统与维修设计手册157页表选所以液压缸的型号为：计算最大流量：（2） 、刀具夹紧系统液压缸的计算根据液压系统设计简明手册表2-1确定液压缸的工作压力为7Mpa、最大负载为F1=50000N、回油背压力为零、。液压缸内径根据液压系统设计简明手册表2-4将液压缸的内径圆整为标准系列，所以。 校核液压缸可靠性：因为且，所以液压缸设计可靠。取则缸体外径为：根据液压系统与维修设计手册157页表选所以液压缸的型号为：计算流量：（3） 、滑枕夹紧系统液压缸的计算根据液压系统设计简明手册表2-1确定液压缸的工作压力为20Mpa、最大负载为F1=63000N、回油背压力为零、。液压缸内径根据液压系统设计简明手册表2-4将液压缸的内径圆整为标准系列，所以。 校核液压缸可靠性：因为且，所以液压缸设计可靠。取则缸体外径为：根据液压系统与维修设计手册157页表选所以液压缸的型号为：计算流量：（4） 、主轴箱夹紧系统液压缸的计算根据液压系统设计简明手册表2-1确定液压缸的工作压力为20Mpa、最大负载为F1=139350N、回油背压力为零、。液压缸内径根据液压系统设计简明手册表2-4将液压缸的内径圆整为标准系列，所以。 校核液压缸可靠性：因为且，所以液压缸设计可靠。取则缸体外径为：根据液压系统与维修设计手册157页表选所以液压缸的型号为：计算流量：（5） 、滑枕平衡液压系统液压缸的计算根据液压系统设计要求以及查阅相关资料得到液压缸的D=80mm、d=56mm 行程为5mm。根据液压系统与维修设计手册157页得液压缸的型号为：（6） 、液压泵的选择考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的压力为式中：为液压泵最大工作压力 为执行元件的最大工作压力 为进油管路中损失的压力，由于本系统较为为简单取0.5Mpa所以上述为系统的静态压力，考虑到系统在各种工况过程中的损失，因此泵的额定压力应该，所以本系统选液压泵的最大流量应为：注：为液压泵的最大流量为同时动作的个执行元件所需的流量之和的最大值，如果溢流阀此时 正常工作需增加为系统泄漏系数，在1.1-1.3之间所以因为系统压力较高，但系统较简单，故选用NB型内啮合齿轮泵，考虑到容积效率等因素选用排量为，额定压力为25Mpa，最大压力为32Mpa，额定转速为1500r/min，额定功率为17Kw的齿轮泵，型号为：（7） 、电动机的选择电动机的功率注：为系统压力，考虑到系统管路损失，因此取系统压力为20.5Mpa为齿轮泵排量，为电动机转速，使用四极电机，为机械效率取0.83所以电机采用卧式安装方式，具体型号为：3.7.2管道尺寸的确定： 油管尺寸一般由选用的液压元件接口尺寸而定，也可以通过管路允许的流速进行计算：取压油管允许的流速为4m/s，圆整为d=12mm。3.7.3利用AMEsim进行仿真的步骤 一般我们可以直接利用AMEsim所提供的建模模块建立模型，具体的仿真分析过程如下：（1）、点击，在当前状态下利用系统中的模型进行建模，如图3.6.2.1所示。图3.6.2.1（2） 、点击，检查错误并对每个模型进行命名。（3） 、点击，修改模型中的参数。（4） 、点击，进行仿真分析。3.7.4利用AMEsim进行仿真分析（1） 、刀具夹紧液压系统仿真分析:首先输入一个模拟的信号，如图3.7.4.1所示：图3.7.4.1输出与输入比较结果为如图3.7.4.2所示：图3.7.4.2节流阀16出口压力结果如图3.7.4.3所示：图3.7.4.3节流阀16出口流量结果如图3.7.4.4所示：图3.7.4.4 由上图3.7.4.1和3.7.4.2可以看出，当刀具需要加紧时，输入一个信号，液压系统可以通过调节三位四通阀使液压杆或得一个力，并且保压，从而实现夹紧。需要松开时恢复成初始信号，液压杆就没有力的输出从而松开。上图的仿真基本说明此液压系统能够完成相应的设计要求，但是输入信号和输出信号间存在一定的滞后性，这就需要在快速响应方面进行研究，在上图3.7.4.3中双向节流阀的压力在2s时突然跃变，快速达到工作时的压力大小，在2s-8s内保持原有压力大小为系统保持工作压力，8s-10s时压力突然减小到单向阀的设定压力进行卸油从而完成刀具的夹紧和松开。图3.7.4.4是双向节流阀16的出口流量的大小，2s内有一定的流量实现双向节流阀的压力在2s时突然跃变，在2s-8s时由于双向节流阀的作用，不需要流量从而进行保压，在8s-10s液压系统进行泄压，流量变成反方向泄压。（2） 主轴箱平衡系统仿真分析首先输入一个模拟的信号，如图3.7.4.5所示：图3.7.4.5输出与输入比较结果为：图3.7.4.6由图可以看出当主轴箱上受到的力变化时，液压系统通过调节三位四通阀给液压杆一个力从而拉动钢丝绳来补偿误差，但是液压杆上的力处于波动状态不利于实现精确的补偿误差，说明这个液压系统还存在缺陷，不够稳定，这就需要在稳定性方面进行研究。（3） 、主轴箱夹紧液压系统仿真分析：首先输入一个模拟的信号，如图3.7.4.7所示：图3.7.4.7输出与输入比较结果为：图3.7.4.8由上图可以看出，当主轴箱需要加紧时，输入一个信号，液压系统可以通过调节三位四通阀使液压杆或得一个力，并且保压，从而实现夹紧。需要松开时恢复成初始信号，液压杆就没有力的输出从而松开。上图的仿真基本说明此液压系统能够完成相应的设计要求，但是输入信号和输出信号间存在一定的滞后性，这就需要在快速响应方面进行研究。（4） 、滑枕夹紧液压系统仿真分析:首先输入一个模拟的信号，如图3.7.4.9所示：图3.7.4.9输出与输入比较结果为：图3.7.4.10节流阀14出口压力结果如图3.7.4.11所示：图3.7.4.11节流阀14出口流量结果如图3.7.4.12所示：图3.7.4.12由上图可以看出，当滑枕需要加紧时，输入一个信号，液压系统可以通过调节三位四通阀使液压杆或得一个力，并且保压，从而实现夹紧。需要松开时恢复成初始信号，液压杆就没有力的输出从而松开。上图